رفتار اکسیداسیون سوپرآلیاژ پایه نیکل GTD-111 در دمای °C 1000

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

فائزه اختری ¹

صادق پورعلی ¹

رضا توانگر ²

سیدسینا حجازی ³

¹ مهندسی مواد و متالورژی، خوردگی و حفاظت از مواد، دانشگاه صنعتی سهند

² مهندسی مواد و متالورژی، خواص مکانیکی و فیزیکی مواد، دانشگاه صنعتی سهند

³ سطح و فوتوالکتروشیمی، دانشگاه زیگن، آلمان

10.22067/jmme.2023.76898.1052

چکیده

بررسی حاضر به تحلیل رفتار اکسیداسیون سوپرآلیاژ پایه نیکل GTD-111 در دمای °C 1000 و اتمسفر هوا می‌پردازد. برای این منظور، گستره‌ای از روش‌ها شامل آنالیز توزین حرارتی (TGA)، میکروسکوپی الکترونی روبشی نشر میدانی (FE-SEM)، پراش پرتو ایکس سطحی (GI-XRD) و طیف‌سنجی انتشار نوری تخلیه تابشی (GDOES) به کار گرفته شدند. سینتیک اکسیداسیون این آلیاژ در دمای یاد شده پس از 10 ساعت اولیه، رفته رفته از خطی وارد سهمی می‌شود که این موضوع همراه با تشکیل لایه‌ اکسیدی یکنواخت بر سطح است. بر اساس تحلیل مقطیِ FE-SEM و GDOES، تیتانیوم را می‌توان اولین گونه‌ای در نظر گرفت که با شروع اکسیداسیون، وارد جبهه واکنش می‌شود. با این حال، با اکسید شدن آن و تخلیه آن در زیر جبهه اکسیداسیون، شرایط برای شکل گیری سایر اکسیدها از جمله اکسید کروم (Cr2O3) مهیا می‌شود. در ادامه، طی نفوذ به سمت داخل گونه‌های O2-، شرایط برای اکسیداسیون داخلی آلومینیوم و تشکیل جزایری از اکسیدهای Al2O3 فراهم می‌شود. بدینسان، پس از 100 ساعت اکسیداسیون، ترکیب شیمیاییِ فیلم اکسیدی مشتمل بر ناحیه درونیِ غنی از آلومینیوم، ناحیه بیرونیِ غنی از تیتانیوم و لایه میانیِ غنی از کروم است. نتایج GI-XRD نیز موید تشکیل فازهای اکسیدی یاد شده است. در این دما، اثری از جدایش پوسته اکسیدی و تشکیل اکسیدهای نیکل پس از 100 ساعت اکسیداسیون مشاهده نشد.

کلیدواژه‌ها

سوپرآلیاژ نیکل GTD-111

اکسیداسیون دما بالا

GI-XRD

TGA

GDOES

موضوعات

• خوردگی و اکسیداسیون

---

عنوان مقاله English

Oxidation behavior of GTD-111 nickel base superalloy at 1000 °C

نویسندگان English

Faezeh Akhtari ¹

Sadegh Pour-Ali ¹

reza tavangar ²

Seyedsina Hejazi ³

¹ Faculty of Materials Science, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

² Faculty of Materials Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran.

³ Department of Chemistry-Biology Chemistry and Structure of New Materials, Faculty of Natural Sciences and Technology, Seiegen, Germany

چکیده English

The present study investigates the oxidation behavior of GTD-111 nickel base superalloy at 1000 °C in air. To this aim, several techniques including thermal gravimetric analysis (TGA), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), grazing incidence X-ray diffraction (GI-XRD) and glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES) were employed. The oxidation kinetics of this superalloy alters from linear to parabolic after 10 h exposure which is accompanied by the formation of a uniform surface oxide layer. Based on the cross-sectional analysis of FE-SEM and GDOES, Ti can most probably be considered as the first species which enters the reaction front when oxidation begins. However, as a result of its oxidation, Ti is depleted just beneath the oxide scale, and conditions changes in favor of the formation of other oxides, namely, Cr2O3. Subsequently, due to the internal diffusion of O2- species, Al is internally oxidized, and islands of Al2O3 form underneath the oxide layer. After 100 h of oxidation, the chemical composition of the oxide film consists of an Al-rich inner region, a Ti-rich outer region, and a Cr-rich intermediate layer. GI-XRD results also confirmed the formation of mentioned oxide phases. No indication of oxide spallation and formation of nickel oxides were observed even after 100 h of oxidation.

کلیدواژه‌ها English

GTD-111 nickel superalloy

High temperature oxidation

GI-XRD

TGA

GDOES

مراجع

1. Z. Alam, D. Chatterjee, B. Venkataraman, "Effect of cyclic oxidation on the tensile behavior of directionally solidified CM-247LC Ni-based superalloy at 870 °C", Materials Science and Engineering: A, vol. 527, pp. 6211-6218, 2010.
2. Pillai, H. Ackermann, H. Hattendorf, S. Richter, "Evolution of carbides and chromium depletion profiles during oxidation of Alloy 602 CA", Corrosion science, vol. 75, pp. 28-37, 2013.
3. H. Latief, K. Kakehi, Y. Tashiro, "Oxidation behavior characteristics of an aluminized Ni-based single crystal superalloy CM186LC between 900 °C and 1100 °C in air", Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol. 19, pp. 1926-1932, 2013.
4. A. Basuki, D.H. Prajitno, F. Muhammad, "Alloys developed for high temperature applications", AIP Proceedings, vol. 1805, pp. 20003-20010, 2017.
5. Wee, K. Kim, K. Park, C. Seok, "Study on Creep Damage of Ni-Based Superalloy Caused by Variable Load Conditions at Elevated Temperatures", Materials, vol. 14, pp. 6971, 2021.
6. Tan, X. Ren, K. Sridharan, T.R. Allen, "Corrosion behavior of Ni-base alloys for advanced high temperature water-cooled nuclear plants", Corrosion science, vol. 50, pp. 3056-3062, 2008.
7. Pouranvari, A. Ekrami, A.H. Kokabi, "Microstructure–properties relationship of TLP-bonded GTD-111 nickel-base superalloy", Materials Science and Engineering:A, vol. 490, pp. 229-234, 2008.
8. Brenneman, J. Wei, Z. Sun, L. Liu, G. Zou, Y. Zhou, "Oxidation behavior of GTD111 Ni-based superalloy at 900° C in air", Corrosion science, vol. 100, pp. 267-274, 2015.
9. Huang, J. Wang, E.H. Han, W. Ke, W"Microstructural characteristics of the oxide films formed on Alloy 690 TT in pure and primary water at 325 °C", Corrosion science, vol. 76, pp. 52-59, 2013.
10. Xiao, N. Prud’Homme, N. Li, V. Ji, "Influence of humidity on high temperature oxidation of Inconel 600 alloy: Oxide layers and residual stress study", Applied Surface Science, vol. 284, pp. 446-452, 2013.
11. Zheng, M. Zhang, J. Dong, "Oxidation behavior and mechanism of powder metallurgy Rene95 nickel based superalloy between 800 and 1000 °C", Applied Surface Science, vol. 256, pp. 7510-7515, 2010.
12. J. Park, S.M. Seo, Y.S. Yoo, H.W. Jeong, H. Jang, "Effects of Al and Ta on the high temperature oxidation of Ni-based superalloys", Corrosion science, vol. 90, pp. 305-312, 2015.
13. Wu, T. Narita, "Oxidation behavior of the single crystal Ni-based superalloy at 900° C in air and water vapor", Surface and Coatings Technology, vol. 202, pp. 140-145, 2007.
14. T. Liu, J. Ma, X.F. Sun, "Oxidation behavior of a single-crystal Ni-base superalloy between 900 and 1000 °C in air", Journal of alloys and compounds, vol. 491, pp. 522-526, 2010.
15. M. Mignanelli, N.G. Jones, E.J. Pickering, O.M. Messé, C.M.F. Rae, M.C. Hardy, H.J. Stone, "Gamma-gamma prime-gamma double prime dual-superlattice superalloys", Scripta Materialia, vol. 136, pp. 136-140, 2017.
16. Q. Chen, E. Francis, J. Robson, M. Preuss, S.J. Haigh, "Compositional variations for small-scale gamma prime (γ′) precipitates formed at different cooling rates in an advanced Ni-based superalloy", Acta Materialia, vol. 85, pp. 199-206, 2015.
17. Weiser, Y.M. Eggeler, E. Spiecker, S. Virtanen, "Early stages of scale formation during oxidation of γ/γ′ strengthened single crystal ternary Co-base superalloy at 900 °C", Corrosion Science, vol. 135, pp. 78-86, 2018.
18. Weiser, M.C. Galetz, H.E. Zschau, C.H. Zenk, S. Neumeier, M. Göken, S. Virtanen, S., "Influence of Co to Ni ratio in γ′-strengthened model alloys on oxidation resistance and the efficacy of the halogen effect at 900 °C", Corrosion Science, vol. 156, pp. 84-95, 2019.
19. Pistor, S.P. Hagen, S. Virtanen, C. Körner, "Influence of the microstructural homogeneity on the high-temperature oxidation behavior of a single crystalline Ni-base superalloy", Scripta Materialia, vol. 207, pp. 114301, 2022.
20. Zhuang, Y. Tan, X. You, P. Li, L. Zhao, C. Cui, H. Cui, "High temperature oxidation behavior and mechanism of a new Ni-Co-based superalloy", Vacuum, vol. 189, pp. 110219, 2021.
21. Y.X. Zhu, C. Li, Y.C. Liu, Z.Q. Ma, H.Y. Yu, "Effect of Ti addition on high-temperature oxidation behavior of Co–Ni-based superalloy", Journal of Iron and Steel Research International, vol. 27, pp. 1179-1189, 2020.